(57)【要約】【課題】膜厚が５ｎｍ前後もしくはそれ以上である極薄の膜の膜厚を簡易に測定する。【解決手段】膜厚ｄが既知である膜３０３を鋼板３０２上に形成した基準試料の表面に検査光３１１を照射し、反射光３１２を分光して分光スペクトルデータを取得する。この分光スペクトルデータについて、膜３０３を有しない鋼板３０２の表面に検査光３１１を照射しその反射光を分光して得た膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求めて、膜３０３の膜厚ｄと対応付けて基準反射強度比を得る。膜厚ｄが未知である膜３０３を鋼板３０２上に形成した対象試料の表面に検査光３１１を照射し、反射光３１２を分光して分光スペクトルデータを取得し、膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求め、この比率と基準反射強度比とを比較することで対象試料の膜厚ｄを得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜厚が既知である薄膜を基材上に形成した基準試料の表面に検査光を照射し、反射光を分光して分光スペクトルデータを取得し、薄膜を有しない基材の表面に検査光を照射しその反射光を分光して得た膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求めることで薄膜の膜厚と対応付けて基準反射強度比を得る段階と、
膜厚が未知である薄膜を基材上に形成した対象試料の表面に検査光を照射し、反射光を分光して分光スペクトルデータを取得し、前記膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求め、この比率と前記基準反射強度比とを比較することで対象試料の膜厚を得る段階と、
を備える膜厚測定方法。
【請求項２】
検査光を発光する発光部と、入力された光の分光分布を調べて各波長別に強度を求める受光部とを備える膜厚測定装置にインストールされ、この膜厚測定装置を、
前記発光部を制御して膜厚が既知である薄膜を基材上に形成した基準試料の表面に検査光を照射し、前記受光部に入力された反射光を分光して分光スペクトルデータを取得し、薄膜を有しない基材の表面に検査光を照射して得た反射光を分光しその膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求めることで薄膜の膜厚と対応付けて基準反射強度比を得る手段、及び、
前記発光部を制御して膜厚が未知である薄膜を基材上に形成した対象試料の表面に検査光を照射し、前記受光部に入力された反射光を分光して分光スペクトルデータを取得し、前記膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求め、この比率と前記基準反射強度比とを比較することで対象試料の膜厚を得る手段、
として機能させるための膜厚測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、防錆のための化成皮膜等、膜厚が５ｎｍ以上もしくはそれ以上である膜の膜厚を簡易に測定するための膜厚測定方法、及び、その方法を実現するための膜厚測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の膜厚測定方法の発明は、「膜面の傾斜、基板の厚みの影響を考慮し、精度良く膜厚値を求めることが出来、しかも、膜の屈折率が既知であることを前提としない膜厚測定方法、膜厚測定プログラムを提供すること」を解決課題とするものである。この膜厚測定方法は、「膜面の傾斜、基板の厚みの影響を考慮した分光反射率モデルを作成し、このモデルと実測分光反射率との比較演算をすることで精度良く膜厚値を求める。屈折率の波長分散式モデルから反射率の第１段階の理論曲線、第２段階の理論曲線を作成し、第２段階の理論曲線と、実測分光反射率データの平均二乗誤差が最小となるときの膜厚値を求める膜厚の測定結果とする」ものである。
【０００３】
特許文献２に記載の膜厚測定方法の発明は、「例えば、製造工程等において搬送されつつあるフィルムように、移動途中の測定対象物についても精度良く膜厚を測定し得るような膜厚測定方法を提供することを一の目的とする」ものである。この膜厚測定方法は、「薄膜表面に光を照射し、該薄膜からの反射光を分光して分光スペクトルを取得し、該分光スペクトルから前記薄膜の膜厚値を算出する膜厚測定方法であって、１）取得した前記分光スペクトルから仮の膜厚値を求めるステップと、２）前記仮の膜厚値の近傍から選択された複数の膜厚値毎に、前記薄膜に係る屈折率の波長分散式モデルを作成するステップと、３）前記薄膜について別途得た所定波長に対する屈折率と、前記複数の膜厚値毎に作成された前記屈折率の波長分散式モデルから求められる該所定波長に対する各屈折率とをそれぞれ比較するステップと、４）前記３）のステップで比較した屈折率の差を評価して最終的な膜厚値を求めるステップとを有することを特徴とする」ものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２０５２５号公報
【特許文献２】特開２００９−２５０８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２に記載のいずれの膜厚測定方法も、光を薄膜に当てた際に生じる薄膜干渉での、所定の波長の光での干渉次数を複数用いるものであり、５００ｎｍ前後もしくはそれ以上の膜厚を有するフィルム等の薄膜の膜厚を測定するのに適している。しかしながら、これらの測定方法では、金属への塗装前処理として行われる防錆のための金属酸化物を主成分とする化成皮膜等の極薄の膜（膜厚が５ｎｍ前後もしくはそれ以上）の膜厚を測定することはできない。他方、このような極薄の膜の膜厚を測定する方法として、蛍光Ｘ線分析装置等の装置等を用いて膜内の元素の含有量を調べ、この含有量から膜厚を推定することが考えられる。しかしながら、このような方法は大掛かりであり、また、蛍光Ｘ線分析装置を用いるたびに多大なコストが生じる。
【０００６】
本発明の目的は、膜厚が５ｎｍ前後もしくはそれ以上である極薄の膜の膜厚を簡易に測定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の膜厚測定方法は、膜厚が既知である薄膜を基材上に形成した基準試料の表面に検査光を照射し、反射光を分光して分光スペクトルデータを取得し、薄膜を有しない基材の表面に検査光を照射しその反射光を分光して得た膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求めることで、薄膜の膜厚と対応付けて基準反射強度比を得る段階と、膜厚が未知である薄膜を基材上に形成した対象試料の表面に検査光を照射し、反射光を分光して分光スペクトルデータを取得し、前記膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求め、この比率と前記基準反射強度比とを比較することで対象試料の膜厚を得る段階と、を備える。
【０００８】
本発明の膜厚測定プログラムは、検査光を発光する発光部と、入力された光の分光分布を調べて各波長別に強度を求める受光部とを備える膜厚測定装置にインストールされ、この膜厚測定装置を、前記発光部を制御して膜厚が既知である薄膜を基材上に形成した基準試料の表面に検査光を照射し、前記受光部に入力された反射光を分光して分光スペクトルデータを取得し、薄膜を有しない基材の表面に検査光を照射して得た反射光を分光しその膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求めることで、薄膜の膜厚と対応付けて基準反射強度比を得る手段、及び、前記発光部を制御して膜厚が未知である薄膜を基材上に形成した対象試料の表面に検査光を照射し、前記受光部に入力された反射光を分光して分光スペクトルデータを取得し、前記膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求め、この比率と前記基準反射強度比とを比較することで対象試料の膜厚を得る手段、として機能させるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、膜厚が既知である基準試料での反射光の分光分布データを用いることで、大掛かりな蛍光Ｘ線分析装置等の装置を用いずとも、膜厚が５ｎｍ前後もしくはそれ以上である極薄の膜の膜厚を簡易に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】検査光（入射光）及び反射光の経路を説明するための試料の模式的な断面図である。
【図２】基準データ取得第１処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】基準データ取得第２処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】波長λに対する基準反射強度比Ｒ（λ）ｄの関係性の一例を示すグラフである。
【図５】測定処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】波長λに対する対象試料の反射強度比Ｒ（λ）の関係性の一例を示すグラフである。
【図７】検量線の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の一形態を、図１ないし図７に基づいて説明する。説明の便宜上、本実施の形態を第一の実施の形態と呼ぶ。図１は、検査光３１１（入射光）及び反射光３１２の経路を説明するための試料の模式的な断面図である。試料３０１は、基材としての鋼板３０２と、この鋼板３０２の表面に防錆機能を有する膜３０３（化成皮膜）とにより構成される。通常、このような膜３０３（化成皮膜）の膜厚は、５ｎｍ前後もしくはそれ以上であり、フィルム材（膜厚が５００ｎｍ前後もしくはそれ以上）等と比較して格段に薄い。このような試料３０１の一例は、亜鉛めっき鋼板の表面上に形成されるジルコニア（二酸化ジルコニウムＺｒＯ２）を主成分とする皮膜である。
【００１２】
試料３０１に形成される膜３０３の膜厚を測定するにあたり、発光部３０４、受光部３０５、ＣＰＵ等を有し演算等の処理を実行して各部の制御を行う制御部３０６、キーボード等の操作入力部３０７、ディスプレイ等の出力部３０８、ハードディスク等のデータ格納部３０９などにより構成される膜厚測定装置３１０が用いられる。
【００１３】
発光部３０４は、制御部３０６からの電気信号を受けて検査光３１１を発光する。検査光３１１は、試料３０１に向けて照射され、反射光３１２となって受光部３０５に到達する。反射光３１２は、膜３０３の表面で反射する第１反射光３１２Ａと、膜３０３に入り込んで屈折し鋼板３０２の表面で反射した後に膜３０３から外部に出る第２反射光３１２Ｂとにより構成される。第１反射光３１２Ａと第２反射光３１２Ｂとは、膜３０３内を進行する３１２Ｂとにより構成される。第１反射光３１２Ａ及び第２反射光３１２Ｂは、光路差（図１中に示されるＬａとＬｂとの和に、検査光３１１が大気中から膜３０３内へ入り込む際の相対屈折率ｎを乗じたもの）により生じる位相差によって互いに干渉し合う。これにより、反射光３１２を分光して波長別にみると反射光３１２の強度が異なっている。受光部３０５は、反射光３１２の分光分布を調べて各波長別に強度を求め、その強度に応じた電気信号を制御部３０６に送信する。
【００１４】
データ格納部３０９には、膜厚測定プログラム３０９Ａが格納されている。膜厚測定プログラム３０９Ａには、図２に示す基準データ取得第１処理、図３に示す基準データ取得第２処理、及び、図５に示す測定処理に対応する処理内容の記述が含まれている。制御部３０６は、膜厚測定装置３１０の起動後に、又は、操作入力部３０７からの操作入力に応じて、膜厚測定プログラム３０９Ａの記述に従って、基準データ取得第１処理、基準データ取得第２処理及び測定処理を選択的に実行する。制御部３０６での処理の結果は、出力部３０８に出力される。データ格納部３０９には、各種のデータを記憶可能な記憶領域３０９Ｂも設けられている。
【００１５】
図２は、基準データ取得第１処理の流れを示すフローチャートである。基準データ取得第１処理は、薄膜（膜３０３）を有しない基材（鋼板３０２）の表面に検査光３１１を照射しその反射光３１２を分光して得た膜無状態分光スペクトルデータを得るための処理である。この基準データ取得第１処理がなされる前提として、図１における試料３０１に代わりに、膜３０３を有しない鋼板３０２を配置する。
【００１６】
制御部３０６は、膜厚測定プログラム３０９Ａの記述に従って基準データ取得第１処理を開始すると、まず、発光部３０４に電気信号を送って、表面に膜３０３が形成されていない状態の鋼板３０２に対して検査光３１１を照射させる（ステップＳ１０１）。
【００１７】
続いて、制御部３０６は、受光部３０５からの電気信号の入力を待機し（ステップＳ１０２のＮＯ）、電気信号が入力されたことを判定すると（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、その電気信号に基づいて反射光３１２の分光スペクトルのデータ（これを「膜無状態分光スペクトルデータ」と呼ぶ）を取得する（ステップＳ１０３）。その後、制御部３０６は、膜無状態分光スペクトルデータをデータ格納部３０９に記憶し（ステップＳ１０４）、一連の処理を終了する。データ格納部３０９では、膜無状態分光スペクトルデータが記憶領域３０９Ｂに記憶保存される。
【００１８】
図３は、基準データ取得第２処理の流れを示すフローチャートである。図４は、波長λに対する基準反射強度比Ｒ（λ）ｄの関係性の一例を示すグラフである。基準データ取得第２処理は、膜厚が既知である薄膜（膜３０３）を基材（鋼板３０２）上に形成した基準試料（試料３０１）の表面に検査光３１１を照射し、反射光３１２を分光して分光スペクトルデータを得て、前述の膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求めることで、薄膜の膜厚と対応付けて基準反射強度比を得るための処理である。この基準データ取得第２処理がなされる前提として、図１における試料３０１に、蛍光Ｘ線分析装置等によって膜厚測定を行い、膜３０３の膜厚ｄが既知であるもの（基準試料）を用いる。
【００１９】
制御部３０６は、膜厚測定プログラム３０９Ａの記述に従って基準データ取得第２処理を開始すると、まず、発光部３０４に電気信号を送って、基準試料の表面の膜３０３に対して検査光３１１を照射させる（ステップＳ１５１）。
【００２０】
続いて、制御部３０６は、受光部３０５からの電気信号の入力を待機し（ステップＳ１５２のＮＯ）、電気信号が入力されたことを判定すると（ステップＳ１５２のＹＥＳ）、その電気信号に基づいて反射光３１２の分光スペクトルのデータを取得する（ステップＳ１５３）。
【００２１】
続いて、制御部３０６は、データ格納部３０９にアクセスして記憶領域３０９Ｂに記憶保存されている膜無状態分光スペクトルデータを取得し、各波長について、ステップＳ１５３で取得した分光スペクトルのデータの、膜無状態分光スペクトルデータに対する比率（これを「基準反射強度比」と呼ぶ）のデータを求める（ステップＳ１５４）。その後、制御部３０６は、基準反射強度比のデータを記憶領域３０９Ｂに記憶し（ステップＳ１５５）、一連の処理を終了する。データ格納部３０９では、基準反射強度比のデータが、膜厚ｄに対応付けられて、記憶領域３０９Ｂに記憶保存される。
【００２２】
膜厚ｄが異なる複数の基準試料に対して上記の基準データ取得第２処理を繰り返し行うことで、各膜厚ｄに対応する基準反射強度比Ｒ（λ）ｄのデータを複数得ることができる（但し、λは波長を表す）。ここで、膜厚ｄ、波長λ及び基準反射強度比Ｒ（λ）ｄの関係性をグラフに示すと、図４に示すようになる。図４に示すグラフでは、波長λが横軸に対応し、基準反射強度比Ｒ（λ）ｄが縦軸に対応しており、膜厚ｄが個々の折れ線と対応している。
【００２３】
図５は、測定処理の流れを示すフローチャートである。図６は、波長λに対する対象試料の反射強度比Ｒ（λ）の関係性の一例を示すグラフである。測定処理は、膜厚が未知である薄膜（膜３０３）を基材（鋼板３０２）上に形成した対象試料（試料３０１）の表面に検査光３１１を照射し、反射光３１２を分光して分光スペクトルデータを得て、前述の膜無状態分光スペクトルデータとの比率を求め、この比率と基準反射強度比とを比較することで対象資料の膜厚を得るための処理である。この測定処理がなされる前提として、図１における試料３０１に、膜３０３の膜厚ｄが未知であってこれからその膜厚ｄを調べようとするもの（対象試料）を用いる。
【００２４】
制御部３０６は、膜厚測定プログラム３０９Ａの記述に従って測定処理を開始すると、まず、発光部３０４に電気信号を送って、対象試料の表面の膜３０３に対して検査光３１１を照射させる（ステップＳ２０１）。
【００２５】
続いて、制御部３０６は、受光部３０５からの電気信号の入力を待機し（ステップＳ２０２のＮＯ）、電気信号が入力されたことを判定すると（ステップＳ２０２のＹＥＳ）、その電気信号に基づいて反射光３１２の分光スペクトルのデータを取得する（ステップＳ２０３）。
【００２６】
続いて、制御部３０６は、データ格納部３０９にアクセスして記憶領域３０９Ｂに記憶保存されている膜無状態分光スペクトルデータを取得し、各波長について、ステップＳ２０３で取得した分光スペクトルのデータの、膜無状態分光スペクトルデータに対する比率（これを「対象試料の反射強度比」と呼ぶ）のデータを求める（ステップＳ２０４）。なお、波長λ及び対象試料の反射強度比Ｒ（λ）の関係性をグラフに示すと、図６に示すようになる。図６に示すグラフでは、波長λが横軸に対応し、対象試料の反射強度比Ｒ（λ）が縦軸に対応している。
【００２７】
続いて、制御部３０６は、ステップＳ２０４で求めた対象試料での反射強度比のデータと、記憶領域３０９Ｂに記憶保存されている各膜厚ｄについての基準反射強度比のデータ（基準反射強度比Ｒ（λ）ｄ）とを比較し、対象試料での反射強度比のデータに同じもしくは最も近い基準反射強度比のデータの膜厚ｄを特定する（ステップＳ２０５）。制御部３０６は、特定した膜厚ｄを出力部３０８に出力し、一連の処理を終了する。
【００２８】
上記で述べたステップＳ２０５での膜厚ｄの特定手法には、さまざまなものを用いることができる。一例として、以下に示す検量線を用いる手法を示す。図７は、検量線の一例を示すグラフである。検量線を作成するために、まず、二つ所定の波長間での基準反射強度比（図３に示す基準データ取得第２処理により求まるもの）の変化率Δ（例えば、波長λが３９０ｎｍから６３０ｎｍまで変化したときの［Ｒ（６３０ｎｍ）ｄ−Ｒ（３９０ｎｍ）ｄ］÷（６３０−３９０）により求まる値）を求める。この変化率Δは、図４に示す波長λ−基準反射強度比Ｒ（λ）ｄのグラフにおいて、各膜厚ｄのグラフ線についてＲ（３９０ｎｍ）ｄとＲ（６３０ｎｍ）ｄとを結んだ直線の傾きとしてあらわれる。続いて、変化率Δ縦軸に対応させ膜厚ｄを横軸に対応させた二次元座標空間に点（膜厚ｄ，変化率Δ）をプロットし最小二乗法により一次関数（検量線）を作成する。なお、図７において、黒丸はプロット点の例を示し、グラフ中の直線は検量線の例を示している。続いて、対象試料の反射強度比（図５に示す測定処理により求まるもの）における、検量線を求める際に用いたものと同じ二つ所定の波長間での変化率δを求める（この変化率δは、図６に示す波長λ−対象試料の反射強度比Ｒ（λ）のグラフにおいて、グラフ線上の二点を結んだ直線の傾きとしてあらわれる）。図７に示した検量線において、この変化率δ（縦軸）に対応する膜厚（横軸）の値を特定することで、膜厚ｄが特定される。なお、図７において、菱形印は検量線における変化率がδとなる点を示しており、この菱形印に対応する横軸の値を読むことで、膜厚ｄが特定される。図７に示す例では、膜厚ｄが１４ｎｍであると特定されたことになる。
【００２９】
なお、上記の検量線を用いる手法において、変化率Δ、δを求めるための二つの波長の値としては、所望のものを用いることができ、好ましくは、作業者が視認できるような可視光領域の波長の値を用いることができる。また、上記の検量線を用いる手法以外にも、図６中の各グラフ線から、所定の波長において図４のグラフでの接線の傾きに同じもしくは最も近いものを特定して膜厚ｄが特定する手法を採用することもできる。また、図６中の各グラフ線について図４のグラフとの差の二乗和を取り、その二乗和が最小となるような図６中のグラフ線に対応する膜厚を、膜厚ｄとして特定する手法を採用することもできる。
【００３０】
作業者は、上記の膜厚測定装置３１０を用いて、膜厚ｄが未知である膜３０３が鋼板３０２上に形成された対象試料（試料３０１）の膜３０３の膜厚ｄを測定することができる。詳細に述べると、作業者は、まず、膜３０３を有しない鋼板３０２をセットした上で、膜厚測定装置３１０の操作入力部３０７から操作入力を行なって、膜厚測定装置３１０に、基準データ取得第１処理（図２参照）を行わせる。これにより、この鋼板３０２の表面に検査光３１１が照射され、その反射光３１２を分光して得られた膜無状態分光スペクトルデータが、データ格納部３０９に記憶保存される。続いて、作業者は、膜厚ｄが既知である膜３０３が鋼板３０２上に形成された基準試料をセットした上で、膜厚測定装置３１０の操作入力部３０７から操作入力を行なって、膜厚測定装置３１０に、基準データ取得第２処理（図３参照）を行わせる。これにより、この基準試料の表面に検査光３１１が照射され、その反射光３１２を分光して得られた分光スペクトルデータと前述の膜無状態分光スペクトルデータとにより基準反射強度比が求められ、この基準反射強度比が膜厚ｄに対応付けられてデータ格納部３０９に記憶保存される。作業者が膜厚測定装置３１０を操作して、さまざまな膜厚ｄの膜３０３を有する基準試料に対して上記の基準データ取得第２処理がなされることで、データ格納部３０９には、種々の膜厚ｄについての基準反射強度比のデータが蓄積される。続いて、作業者は、膜３０３の膜厚ｄが未知であってこれからその膜厚ｄを調べようとする対象試料をセットした上で、膜厚測定装置３１０の操作入力部３０７から操作入力を行なって、膜厚測定装置３１０に、測定処理（図５参照）を行わせる。これにより、この対象試料の表面に検査光３１１が照射され、その反射光３１２を分光して得られた分光スペクトルデータと前述の膜無状態分光スペクトルデータとにより対象試料の反射強度比が求められ、この対象試料の反射強度比とデータ格納部３０９に記憶保存された複数の基準反射強度比とが比較されることで膜厚ｄが特定され、この膜厚ｄが出力部３０８に出力される。
【００３１】
このように、本実施の形態の膜厚測定装置及びこれにより実現される膜厚測定方法によれば、膜厚が既知である基準試料での反射光の分光分布データを用いることで、大掛かりな蛍光Ｘ線分析装置等の装置を用いずとも、膜厚が５ｎｍ前後もしくはそれ以上である極薄の膜の膜厚を簡易に測定することができる。
【符号の説明】
【００３２】
３０１    試料（基準試料、対象試料）
３０２    鋼板（基材）
３０３    膜（薄膜）
３０４    発光部
３０５    受光部
３０９Ａ  膜厚測定プログラム
３１０    膜厚測定装置
３１１    検査光
３１２    反射光
ｄ        膜厚
【図１】
2013221891.tif 000003
【図２】
2013221891.tif 000004
【図３】
2013221891.tif 000005
【図４】
2013221891.tif 000006
【図５】
2013221891.tif 000007
【図６】
2013221891.tif 000008
【図７】
2013221891.tif 000009